PL187868B1

PL187868B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania strumienia cząstek o dużej prędkości

Info

Publication number: PL187868B1
Application number: PL98338000A
Authority: PL
Inventors: Y.H. Michael Pao; Peter L. Madonna; Ross T. Coogan
Original assignee: Waterjet Technology
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2004-10-29
Also published as: DE69809053D1; NO20000110D0; OA11309A; GEP20012468B; WO1999002307A1; BG104067A; CN1263487A; IL133718A; NO316114B1; CU23076A3; CN1096336C; IL133718A0; PL338000A1; ID24251A; CA2295855A1; ES2186188T3; EP0994764A1; JP2001509434A; CA2295855C; DK0994764T3

Abstract

1 Sposób wytwarzania strumienia czastek, o duzej predkosci w komorze mieszajacej polegajacy na przyspiesza- mu czastek do predkosci poddzwiekowej przy uzyciu jednego badz wielu strumieni gazu do wytwarzania strumienia czastek, nastepnie na dalszym przyspieszaniu czastek do wiekszej predkosci, znam ienny tym , ze dla dalszego przyspieszania czastek do wiekszej predkosci powoduje sie kontakt strumie- nia czastek pod katem m e bedacym wielokrotnoscia kata prostego z przynajmniej jednym strumieniem cieczy o predko- sci pom iedzy 182,9 m/s a 1219,2 m/s wewnatrz komory (40) mieszajacej oraz wywoluje sie ruch spiralny czastek 15 Urzadzenie do wytwarzania strumienia czastek o du- zej predkosci zawierajace pierwsza dysze wyposazona w wlot 1 wylot, zródlo strum ienia czastek sciernych sprezonego gazu i sprzezone z wlotem pierwszej dyszy dla wprowadzenia czastek sciernych z szybkoscia poddzwiekowa do wlotu pierwszej dyszy, komore m ieszajaca majaca wlot w polacze- niu plynnym z wylotem pierwszej dyszy, rure wyjsciowa posiadajaca wlot w polaczeniu plynnym z wylotem komory mieszajacej oraz wylot, znam ienn e tym , ze otwór (52) jest stycznie usytuowany w stosunku do wlotu komory (40) m ie- szajacej, przy czym otwór (52) sprzezony jest w plynnym polaczeniu z komora (40) m ieszajaca 1 ze zródlem cieczy pod ultrawysokim cisnieniem , bedacej pod cisnientem pom iedzy 103,42 MPa a 413,69 MPa dla odprowadzenia z otworu (52) strumienia cieczy z wystarczajaca predkoscia pom iedzy 182,9 m/s a 1219,2 m/s do porwania 1 przyspieszania strumienia czastek sciernych w kom or/e (40) mieszajacej PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania strumienia cząstek, o dużej prędkości w komorze mieszającej polegający na przyspieszaniu cząstek do prędkości poddźwiękowej przy użyciu jednego bądź wielu strumieni gazu do wytwarzania strumienia cząstek, następnie na dalszym przyspieszaniu cząstek do większej prędkości, charakteryzujący się tym, że dla dalszego przyspieszania cząstek do większej prędkości powoduje się kontakt strumienia cząstek pod kątem nie będącym wielokrotnością kąta prostego z przynajmniej jednym strumieniem cieczy o prędkości pomiędzy 182,9 m/s a 1219,2 m/s wewnątrz komory mieszającej oraz wywołuje się ruch spiralny cząstek.

Strumień cieczy wprowadza się przez otwór wtryskowy usytuowany na ścianie komory.

Ruch spiralny wytwarza się przez wtrysk przynajmniej jednego strumienia płynu, przy czym do wprowadzenia przynajmniej jednego strumienia płynu stosuje się wtrysk sprężonego płynu, z tym że przy wprowadzeniu przynajmniej jednego strumienia płynu realizuje się przez bierne zassanie płynu. Dodatkowo dla wzmacniania ruchu spiralnego cząstek stosuje się zmniejszenie wewnętrznego promienia komory mieszającej.

Ruch spiralny wywołuje się również przez stosowanie rowków umieszczonych w wewnętrznej ścianie komory mieszającej.

Ruch spiralny wywołuje się także przez zmianę wewnętrznej geometrii komory mieszającej.

Dodatkowo wywołuje się rozpostarcie strumienia przez oddolne zwiększanie wewnętrznego promienia komory mieszającej.

Wybiórczo dopuszcza i zabezpiecza się przepływ cząstek ściernych w komorze mieszającej jak również dopuszcza i zabezpiecza się przepływ strumienia cieczy w komorze mieszającej.

Przyspiesza się cząstki przy przejściu przez dyszę do szybkości poddźwiękowej ponad 91,4 m/s przy czym przez przyspieszanie cząstek do szybkości poddźwiękowej dostarcza się strumień cząstek ściernych i powietrza do wlotu dyszy mającej obszary proksymalnie skupiający i dystalnie rozbieżny i przyspiesza się strumień cząstek ściernych do pierwszej szybkości ponad 91,4 m/s przez przejście strumienia przez dyszę, przy czym strumień cząstek ściernych wprowadza się do komory mieszającej po przyspieszeniu w dyszy.

Sposób wytwarzania strumienia cząstek, o dużej prędkości w komorze mieszającej polegający na przyspieszaniu cząstek do prędkości poddźwiękowej większej niż 91,45 m/s przy

187 868 użyciu jednego bądź wielu strumieni gazu do wytwarzania strumienia cząstek, następnie na dalszym przyspieszaniu cząstek do większej poddźwiękowej prędkości, charakteryzuje się tym, że wywołuje się ruch spiralny strumienia cząstek, przez co tworzy się strefę o podwyższonym stężeniu cząstek, a następnie zwiększa się przyspieszenie cząstek do większej poddźwiękowej prędkości cząstek przez kontakt strefy o podwyższonym stężeniu cząstek pod kątem nie będącym wielokrotnością kąta prostego z przynajmniej jednym strumieniem cieczy wprowadzonym przez otwór usytuowany w ścianie komory mieszającej i mającym prędkość w komorze mieszającej pomiędzy około 182,9 m/s a około 1219,2 m/s.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do wytwarzania strumienia cząstek o dużej prędkości zawierające pierwszą dyszę wyposażoną we wlot i wylot, źródło strumienia cząstek ściernych i sprężonego gazu i sprzężone z wlotem pierwszej dyszy dla wprowadzenia cząstek ściernych z szybkością poddźwiękową do wlotu pierwszej dyszy, komorę mieszającą mającą wlot w połączeniu płynnym z wylotem pierwszej dyszy, rurę wyjściową posiadającą wlot w połączeniu płynnym z wylotem komory mieszającej oraz wylot, charakteryzujące się tym, że otwór jest stycznie usytuowany w stosunku do wlotu komory mieszającej, przy czym otwór sprzężony jest w płynnym połączeniu z komorą mieszającą i ze źródłem cieczy pod ultrawysokim ciśnieniem będącej pod ciśnieniem pomiędzy 103,42 MPa a 413,69 MPa dla odprowadzenia z otworu strumienia cieczy z wystarczającą prędkością pomiędzy 182,9 m/s a 1219,2 m/s do porwania i przyspieszania strumienia cząstek ściernych w komorze mieszającej.

Komora mieszająca jest wyposażona w drugi wlot sprzężony ze źródłem gazu dla dostarczania strumienia gazu do komory mieszającej i polepszającej rozkład cząstek ściernych w cieczy.

Urządzenie ponadto zawiera pierwszy zawór sprzężony z pierwszą dyszą dla wybiórczego uruchamiania i zatrzymywania przepływu strumienia cząstek ściernych do pierwszej dyszy, drugi zawór sprzężony z otworem wtryskowym płynu dla wybiórczego uruchamiania i zatrzymywania przepływu płynu cieczy znajdującej się pod ultrawysokim ciśnieniem do komory mieszającej i trzeci zawór sprzężony z drugim wlotem dla wybiórczego uruchamiania i zatrzymywania przepływu gazu do komory mieszającej.

Otwór zawiera otwór umieszczony w osi przewodu i który to przewód przebiega od otworu do otworu wtryskowego w urządzeniu wzdłuż toru, w którym strumień cząstek wchodzi do komory mieszającej.

Komora mieszająca zawiera przynajmniej jeden rowek umieszczony na wewnętrznej ściance oraz zawiera część zwężającą i część rozszerzającą.

Pierwsza dysza zawiera część zwężającą i część rozszerzającą.

Komora mieszająca zawiera część zwężającą i rurę skupiającą i jest wyposażona w drugi otworek połączony płynnie ze źródłem środków chemicznych, z tym że źródło środków chemicznych zawiera inhibitor korozji.

Jednym z zadań niniejszego wynalazku jest zapewnienie sposobu wytwarzania strumienia cząstek, poruszających się z wysoką prędkością przez komorę, przez przyspieszenie cząstek przy użyciu jednej bądź wielu dyszy gazowych, a następnie przyspieszenie cząstek do wyższej prędkości przy użyciu jednej bądź wielu dyszy z płynem.

Drugim zadaniem niniejszego wynalazku jest zapewnienie sposobu wytwarzania strumienia cząstek, poruszających się z wysoką prędkością przez komorę, przez przyspieszenie cząstek do prędkości poddźwiękowej przy użyciu jednej bądź wielu dyszy gazowych, a następnie przyspieszenie cząstek do wyższej prędkości przy użyciu jednej bądź wielu dyszy z płynem i wywołaniu ruchu promieniowego cząstek.

Trzecim zadaniem niniejszego wynalazku jest zapewnienie sposobu zwiększania stężenia cząstek, mających wyższą gęstość niż ich otaczający płyn, w strumieniu płynu o wysokiej prędkości, przez wprowadzenie cząstek w strumień płynu, mający przepływ promieniowy, a następnie zetknięcie cząstek ze strumieniem płynu o wysokiej prędkości.

Czwartym zadaniem niniejszego wynalazku jest zapewnienie urządzenie do wytwarzania strumienia cząstek ściernych w strumieniu płynu w macierzy płynu.

Urządzenie i sposób zapewniają wiele korzyści w stosunku do obecnie dostępnych układów-·. Znów, podstawowy problem, przed jakim się staje to jak przyspieszyć cząstki do ich najwyższej możliwej praktycznej prędkości przy użyciu najmniejszej mocy przy użyciu urządzenia

187 868 o praktycznych rozmiarach. Po pierwsze, niniejszy wynalazek osiąga ten cel maksymalizacji prędkości cząstek przy stosunkowo niskim wsadzie mocy i wewnątrz urządzenia o praktycznym rozmiarze. Cząstki ścierające przyspieszane są w niniejszym wynalazku do wyższej prędkości niż uzyskiwana w układach konwencjonalnych, jednocześnie wymagając znacznie mniejszego wsadu mocy niż układy konwencjonalne.

Drugą zaletą niniejszego wynalazku w przykładowym wykonaniu do przygotowywania powierzchni albo usuwania pokrycia jest to, że uzyskuje się jednorodne rozproszenie cząstek. Zwiększa to ilość powierzchni, który można obrobić na funt cząstek uderzających i daje wyższą produktywność i niższe koszty na obrabiany obszar oraz niższe koszty czyszczenia zużytych materiałów uderzających oraz usuwania odpadów. (Koszty usuwania mogą być znaczne dla zużytych materiałów uderzających zawierających niebezpieczne odpady).

Zalety te uzyskuje się w niniejszym wynalazku dzięki kilku przykładowym wykonaniom, które wzbudzają i wykorzystują wir, który powoduje kontrolowany pęd promieniowy, w dodatku do skierowanego do przodu osiowego pędu cząstek. Powoduje to kontrolowany efekt rozproszenia dla cząstek wychodzących z komory mieszającej, a stąd szerszy obszar powierzchni zostaje odsłonięty dla układu cząstek ścierających, co powoduje wyższą produktywność i niższy koszt dla zastosowań przygotowania powierzchni i odpowiednio niższe zużycie materiałów uderzających na obrabiany obszar.

Trzecia zaleta niniejszego wynalazku dotyczy podwodnego cięcia i czyszczenia, albo ogólnie sytuacji, w których strumień cząstek o wysokiej prędkości przyspieszany z komory musi przejść przez płyn inny niż gaz albo powietrze w czasie ruchu w kierunku zamierzonego przedmiotu. Dobrze wiadomo, iż skuteczność strumienia wody o wysokiej prędkości i strumienia cząstek w czyszczeniu i cięciu pod wodą zmniejszają się dramatycznie wraz z odległością odstępu, to jest odległością pomiędzy wyjściem dyszy a przedmiotem. Przyczyną tego jest obecność medium płynnego, takiego jak woda, które ma gęstość około 800 razy większą od powietrza w rejonie pomiędzy wyjściem z komory a przedmiotem. Konwencjonalne strumienie płynu o wysokiej prędkości, które muszą przenikać przez takie media w celu osiągnięcia ich zamierzonego celu, zostają porwane przez otaczającą wodę. Stąd, w odległości tak małej jak 12,7 mm, strumienie tracą większość swej energii i skuteczności dla ich zamierzonych zadań czyszczenia i cięcia. Według niniejszego wynalazku, powietrze uwalniane jest z komory w sposób wirujący, tworząc obracającą się, a stąd ustabilizowaną, strefę gazu, wystającą z wyjścia z komory. Umiejscowione, powietrzne środowisko w postaci ustabilizowanej, obracającej się, napędzanej wirem kieszonki powietrznej powstaje pomiędzy dyszą a przedmiotem. W konsekwencji, strumienie cząstek i wody o dużej prędkości mogą obecnie przejść przez tę ustabilizowaną kieszonkę powietrzną, zapewniając nie pogorszone cięcie albo czyszczenie na poziomie „w powietrzu”, jednak uzyskane pod wodą.

Czwartą zaletą niniejszego wynalazku jest to, że eliminuje on wytwarzanie pyłu i skojarzonych zagrożeń dla środowiska, zdrowia oraz bezpieczeństwa i higieny pracy, nieodzownych w przygotowywaniu powierzchni strumieniem suchych cząstek (powszechnie nazywanym piaskowaniem) w otwartym powietrzu. Piaskowanie, jak dobrze wiadomo, wytwarza chmury pyłu, które mogą rozprzestrzeniać się na dużą odległość, zawierające cząstki wystarczająco małe, by stanowiły znaczące zagrożenie dla układu oddechowego i powodowały podrażnienie oczu, nie tylko operatora, ale również pobliskich osób. Pył ten zawiera nie tylko sproszkowane cząstki ścierające, ale może zawierać cząstki materiału usunięte z obrabianej powierzchni. Może zawierać pigmenty i inne składniki zabezpieczające przed korozją i psuciem się powierzchni, takie jak tlenki metali ciężkich (np. tlenek ołowiu), organometale (w szczególności organocynę) i inne toksyczne związki, być może nałożone na powierzchnię wiele lat temu i od dawna zakazane. Suche piaskowanie, choć jest szybkie i wydajne, i z wyjątkiem niniejszego wynalazku, bez ekonomicznej alternatywy, podlega ścisłemu monitorowaniu i regulacji przez agencje ochrony środowiska i kontroli zagrożeń zdrowotnych.

Konwencjonalne układy próbują polepszyć te problemy przez enkapsulację, co oznacza otoczenie miejsca piaskowania dużymi workami plastykowymi i wytwarzanie słabego podciśnienia wewnątrz tego zamknięcia. Jest to niesłychanie drogie. Na przykład, typowe przygotowanie

187 868 powierzchni przez piaskowanie może kosztować około $5,56/m², ten koszt wzrasta do $11,1/m²albo więcej przy enkapsulacji.

Niniejszy wynalazek kontroluje zarówno tworzenie jak i uwalnianie pyłu. Po pierwsze, dzięki zastosowaniu strumieni wody o ultra-dużej prędkości do przyspieszania cząstek ścierających w drugim etapie, wszystkie cząstki są dokładnie zwilżane i zasadniczo żaden pył nie powstaje przy wyjściu z dyszy i na torze cząstek do powierzchni obrabianej. Po drugie, cząstkom uwalnianym towarzyszy drobna mgła z kropelek wody, powstająca z rozpadu strumienia wody o ultradużej prędkości w czasie, gdy ulega on interakcji z cząsteczkami i powietrzem w komorze mieszającej. Taka mgła porywa, przy źródle, wszelkie drobiazgi i pył wytworzony w konsekwencji uderzania i dezintegracji cząstek na przedmiocie albo pochodzący z docelowego materiału podlegającego mikromaszynowaniu/usuwaniu.

Piątą zaletą niniejszego wynalazku jest to, że o wiele mniejsza skierowana do tyłu siła zwrotna wytwarzana jest przez urządzenie i sposób według niniejszego wynalazku. Jest to wynikiem o wiele mniejszej prędkości masowego przepływu cząstek na jednostkę czyszczonej (albo ciętej) powierzchni z mniejszą ilością o wiele szybszych cząstek. Stąd obsługa urządzenia powoduje mniejsze zmęczenie operatora i powinna prowadzić do bezpieczniejszych warunków pracy. Ponadto czyni sposób i urządzenie łatwiej dającym się włączyć tanie układy zautomatyzowane.

Niniejszy wynalazek zostanie obecnie opisany bardziej szczegółowo w następującym szczegółowym opisie zalecanych przykładowych wykonań i rysunków, wraz z załączonymi zastrzeżeniami.

Przedmiot wynalazku tytułem przykładu został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przez dyszę, stanowiącą zalecane przykładowe wykonanie niniejszego wynalazku, fig. 2 - schemat, ukazujący wewnętrzne cechy dyszy z fig. 1, ale w takiej stylizacji, by podkreślić geometrię komory dyszy oraz tor cząstek uderzających przez komorę dyszy, fig. 3 - schemat, ukazujący wewnętrzne cechy innego zalecanego przykładowego wykonania niniejszego wynalazku, również w takim układzie, by podkreślić geometrię komory dyszy oraz tor cząstek ścierających przez komorę dyszy, fig. 4 - przekrój ukazujący dyszę wykonaną według zalecanego alternatywnego przykładowego wykonania niniejszego wynalazku.

Niniejszy wynalazek przedstawia sposób i urządzenie do wytwarzania cząstek ścierających przez strumień płynu o dużej prędkości w celu obróbki bądź przecięcia powierzchni. Najpierw, cząstki ścierające (na przykład piasek kwarcowy) napędzane są przez porwanie w sprężonym gazie (takim jak powietrze) albo przez indukcję/aspirację przez wąż prowadzący do dyszy, mającej wydrążoną komorę albo „komorę mieszającą”. W tym punkcie, prędkość cząstek ścierających osiąga około 182,9-195,1 m/s, co jest bliskie pewnej praktycznej maksymalnej prędkości. Powietrze nie jest dobrym medium do napędzania cząstek ścierających z uwagi na jego niską gęstość. Oznacza to, że powyżej pewnego punktu, dalsze zwiększanie prędkości powietrza nie będzie miało zasadniczego wpływu na prędkość cząsteczki. Jednak powietrze jest wydajnym pod względem kosztów sposobem przyspieszenia cząstki do mniej więcej tej prędkości, ale niewiele ponadto.

Po przyspieszeniu cząstek do prędkości poddźwiękowej (względem prędkości dźwięku w powietrzu), strumień powietrza-cząstek przechodzi następnie przez komorę mieszającą, gdzie napotyka na jeden bądź wiele wlotów do wprowadzania strumieni płynu o prędkości ultraszybkiej (takich jak strumienie wody) do strumienia powietrza-cząstek. Strumień bądź strumienie wody, mające względną prędkość do 1219,2 m/s względem wstępnie przyspieszonych przez strumień gazu cząstek (poruszających się z prędkością do około 182,9 - 195,1 m/s), dalej przyspieszają cząstki przez bezpośrednie przekazanie pędu i porwanie z większą prędkością.

Wloty wody o prędkości ultraszybkiej są umieszczone tak, że woda uderza w strumień powietrza-cząstek pod kątem różnym od prostego lub jego wielokrotności względem osi utworzonej przez strumień powietrze/cząstki. Czy to dzięki zwężaniu się strumienia wody wraz z strumieniem powietrze/cząstki, czy też dzięki wewnętrznej geometrii komory mieszającej, albo połączeniu obydwu, wewnątrz komory mieszającej wytwarza się wir, albo ruch wirujący strumienia powietrza/cząstek/wody. Ten ruch wirowy powoduje, iż cząstki ścierające przesuwają się promieniowo na zewnątrz, z uwagi na ich większą masę (względem powietrza

187 868 i wody), dzięki sile odśrodkowej wytwarzającej pierścieniowatą strefę wysokiego stężenia cząstek. Strumienie wody o prędkości ultraszybkiej są skierowane w tej strefie tak, by dokonać skutecznego przeniesienia pędu i porwania cząstek, co spowoduje wydajne przyspieszenie i maksymalizację prędkości cząstki. Stąd też wprowadzenie strumieni wody o prędkości ultraszybkiej służy trzem głównym funkcjom: drugoetapowemu przyspieszeniu cząstek, wytworzeniu wiru wewnątrz strumienia powietrza/cząstek/wody, oraz wytworzeniu strefy wysokiego stężenia cząstek dla wybiórczego i skutecznego stykania strumienia cząstek ze strumieniami wody o ultraszybkiej prędkości, co powoduje wydajniejsze przyspieszanie i wyższą prędkość cząstek.

Ponadto, w kilku zalecanych przykładowych wykonaniach, ruch wirowy wytworzony w strumieniu płynu ulega wzmocnieniu w jednym z kilku sposobów. W jednym z przykładowych wykonań, strumień (obecnie zawierający powietrze, cząstki i wodę) przechodzi przez końcową część dyszy, gdzie poddany jest stycznie wprowadzanemu powietrzu. Powietrze to może być wprowadzane do komory dyszy z uwagi na ujemne ciśnienie wytworzone w komorze przez ruch strumienia. Alternatywnie, powietrze może być wstrzykiwane do komory pod ciśnieniem większym od ciśnienia atmosferycznego. W innych przykładowych wykonaniach, wewnętrzna średnica komory mieszającej zwęża się w celu zwiększenia promieniowej prędkości cząstek i tym samym wzmocnienia ruchu wirowego. W podzbiorze tych przykładowych wykonań, wewnętrzna średnica komory mieszającej ulega następnie poszerzeniu w celu uzyskania jednorodnego rozkładu cząstek. Z dyszy wychodzi strumień o dużej prędkości jednorodnie rozłożonych cząstek ścierających, biegnących z dużą prędkością, rozpędzanych do takiej prędkości w dwóch etapach przyspieszania, przy czym pierwszy napędzany jest przez gaz (sprężone powietrze) a drugi przez płyn (wodę pod ciśnieniem ultrawysokim). Takie przyspieszanie dwuetapowe, przy użyciu dwóch różnych mediów (gazu i płynu) może nie tylko pokonać podstawowe ograniczenia przyspieszania cząstek poza około 182,9 m/s przy użyciu powietrza jako napędu, ale ogólna wydajność energetyczna procesu jest lepsza w stosunku do jednoetapowego bądź wieloetapowego przyspieszania cząstek przy użyciu pojedynczego medium, czy to samego gazu czy też tylko płynu.

A zatem, obszar usuwanej powierzchni (albo prędkość cięcia) jest funkcją dwóch szerokich zbiorów parametrów. Pierwszy zbiór parametrów (poza samymi cząsteczkami uderzającymi) dotyczy początkowej prędkości powietrza, która dostarcza cząsteczki uderzające do komory mieszającej, umiejscowienia i kąta strumieni wody o ultraszybkiej prędkości albo strumieni, które zbiegają się ze strumieniem powietrza/cząstek, oraz podobnych parametrów dla wywołującego wir wstrzykiwania powietrza (jeżeli jest ono stosowane w szczególnym przykładowym wykonaniu). Drugi zbiór parametrów dotyczy samej geometrii komory mieszającej. Na przykład, mała średnica może być zalecana w jednym położeniu wewnątrz komory w celu zwiększenia prędkości obrotowej cząstek ścierających, a stąd zwiększenia interakcji cząstek ze strumieniem bądź strumieniami wody o ultraszybkiej prędkości. Komora może następnie poszerzać się w dół w celu wytworzenia kontrolowanego rozproszenia strumienia cząstek. Szczególna geometria (wewnętrzne promienie) komory mieszającej można zoptymalizować doświadczalnie dla danych prędkości przepływu i prędkości powietrza/wody/cząstek.

Stosowane pojęcie „kąta nie będącego prostym i jego wielokrotnością”, odnosi się do rozmiaru kątowego, który jest większy od 0 stopni ale mniejszy od 90 stopni.

Pojęcie „nachylony” stosowane tutaj, odnosi się do rozmiaru kątowego, który jest większy niż 0 stopni, ale mniejszy niż 90 stopni, na przykład jeżeli kąt jest utworzony przez obiekty leżące wzdłuż osi x, to kąt utworzony przez dwa obiekty leżące wzdłuż osi nierównoleglej do tej osi można opisać jako „nachylony” (przy założeniu, że wynosi on pomiędzy 0-90 stopni).

Pojęcie „ciśnienie ultrawysokie” stosowane tutaj, odnosi się do szczególnego typu pompy, zdolnej do dostarczania wody pod ciśnieniami większymi niż około 103,4 MPa, do około 413,7 MPa.

Pojęcie „prędkość ultraszybka” odnosi się do prędkości strumienia płynu (takiego jak strumień wody), mającego prędkość większą niż 182,9 m/s do około 1219,2 m/s.

Pojęcie „cząstka ścierająca” stosowane tutaj odnosi się ogólnie do dowolnego typu materiału ziarnistego, stosowanego w przemyśle piaskowania wyrzucanego z urządzenia. Do substancji zwykle stosowanych należą piasek kwarcowy, żużel kwarcowy, żużel węglowy,

187 868 żużel miedziany i granat. „BB2049” jest oznaczeniem przemysłowym dla jednego z popularnych typów. Liczba 2049 odnosi się do rozmiaru cząstek, cząstki zawarte są w sicie 20-49, w Amerykańskiej Standardowej Sieci sit. Innym popularnym typem jest StarBlast.

Figura 1 przedstawia jedno z zalecanych przykładowych wykonań wynalazku. Zaleca się, by przedstawione urządzenie zbudowane było z powszechnie dostępnych materiałów, znanych osobie biegłej w stanie techniki. Strumień powietrza/cząstek przechodzi przez wąż wlotowy 10 do dyszy 20, gdzie napotyka komorę mieszającą 40. Urządzenie można podzielić funkcjonalnie na dwa etapy, pierwszy etap 12 i drugi etap 14. W sumie, w pierwszym etapie 12 cząstki przyspieszane są przez sprężony gaz, korzystnie, ale nie wyłącznie, powietrze. W drugim etapie 14 cząstki przyspieszane są dalej przez wodę pod ultrawysokim ciśnieniem. Przybliżona prędkość strumienia cząstek w chwili, gdy wychodzi z dyszy 20 wynosi około 182,9 m/s w czasie, gdy strumień powietrza/cząstek przechodzi przez komorę mieszającą 40, napotyka on jeden bądź wiele otworów 52, 54 do wstrzykiwania wody pod ultrawysokim ciśnieniem, które wprowadzają jeden bądź wiele strumieni wody o ultraszybkiej prędkości do komory mieszającej pod kątem skośnym względem osi środkowej utworzonej przez ruch strumienia powietrza/cząstek. Strumienie wody utworzone są przez wprowadzenie płynu pod ultrawysokim ciśnieniem przez wlot 50 i promieniowy kanał 101 do otworu 100 umieszczonego w każdym otworze 52 do wstrzykiwania. Strumienie płynu zbiegają się wraz ze strumieniem powietrza/cząstek, tym samym przyspieszając cząstki do większej prędkości. Drugą funkcją strumieni wody o ultraszybkiej prędkości, dzięki ich położeniu skośnemu i/lub pochylonemu, jest zmienianie kierunku strumienia, od czysto osiowego do wirowego albo wirującego ruchu, tym samym wzmagając interakcję cząstek wewnątrz strumienia płynu.

W jednym z przykładowych wykonań niniejszego wynalazku, strumień, zawierający powietrze, cząstki i wodę, wychodzi z dolnego końca dyszy 80. W innych szczególnie zalecanych przykładowych wykonaniach, strumień płynu podlega dalszej manipulacji w celu wzmocnienia ruchu wirowego przed wyjściem z dyszy. W jednym ze szczególnie zalecanych przykładowych wykonań, strumień płynu powietrza/cząstek/wody przechodzi w dół wewnątrz dyszy, gdzie podlega dalszemu mieszaniu z powietrzem.

Powietrze może być wprowadzane do komory mieszającej 40 przez jeden z kilku zespołów. W jednym z zalecanych przykładowych wykonań, powietrze wchodzi do komory 40 mieszającej dzięki prostej aspiracji albo biernej indukcji przez jeden bądź więcej otworów 60, 62, umieszczonych w dyszy 80, co pozwala na wniknięcie otaczającego powietrza do komory 40 mieszającej. W tym zalecanym przykładowym wykonaniu, powietrze wciągane jest do komory mieszającej przez otwory 60, 62 dzięki ujemnemu ciśnieniu, wytworzonemu przez ruch strumienia płynu przez komorę 40 mieszającą.

W innych przykładowych wykonaniach, powietrze może być aktywnie wstrzykiwane (pod ciśnieniem) do komory 40 mieszającej. Ponadto, w przedstawionym przykładowym wykonaniu, powietrze wchodzi do komory mieszającej 40 przez otwory 60, 62, umieszczonej w górę od otworów 52, 54 do wstrzykiwania wody ultraszybkiej, które wprowadzają wodę pod ultrawysokim ciśnieniem do komory z wlotu 50. W innych przykładowych wykonaniach, powietrze może wejść do komory w dół od otworów 52, 54 do wstrzykiwania wody. W jeszcze innych przykładowych wykonaniach, powietrze i woda może wchodzić do komory 40 mieszającej równocześnie. Stąd, powietrze wchodzi do komory 40 mieszającej przez ruch bierny, przez dodatni gradient ciśnienia z zewnątrz do komory 40 mieszającej i miesza się ze strumieniem płynu powietrza/cząstek/wody, dalej wzmacniając ruch wirowy, a stąd ułatwiając przyspieszanie cząstek. W jeszcze innym, szczególnie zalecanym przykładowym wykonaniu, powietrze nie wchodzi biernie na drodze indukcji do komory 40 mieszającej, ale jest aktywnie wpompowywane do komory 40 mieszającej pod ciśnieniem, na przykład pod ciśnieniami wahającymi się od około 689 do 1034 kPa.

W jeszcze innym zalecanym przykładowym wykonaniu, ruch wirowy wytwarzany jest (bez pomocy napływu powietrza do komory 40 mieszającej) albo dalej wzmacniany przez zmienianie wewnętrznej geometrii komory 40 mieszającej. W niektórych z tych przykładowych wykonań, jak przedstawiono na fig. 2, strumień powietrza/wody/cząstek, przechodzący przez komorę 40 mieszającą, napotyka zwężający się przewód 42 (to jest średnica komory

187 868 mieszającej zmniejsza się). Konsekwencją tego jest to, że prędkość promieniowa cząstek zwiększa się z uwagi na zasadę zachowania pędu kątowego. Zwiększona prędkość promieniowa powoduje zwiększone stężenie cząstek w strefie, na którą kierowane są strumienie wody o ultraszybkiej prędkości, co wzmacnia uderzenie i porwanie, a stąd przyspieszenie cząstek wewnątrz komory. Dalej w dół od tej wąskiej części komory, promień zwiększa się, co powoduje rozproszenie się cząstek uderzających, to jest z uwagi na ruch w kierunku ścian komory 40 mieszającej, wynikły z promieniowego pędu nałożonego na cząstki. Stąd, komora 40 mieszająca złożona jest ze zwężającej się części 42, po której następuje część rozszerzająca się 44. I znów, kontrolowane i jednorodne rozproszenie jest pożądane dla przygotowywania powierzchni, ponieważ zwiększa ono obszar powierzchni, w który uderzają cząstki ścierające. W innych przykładowych wykonaniach, ruch wirowy wytwarzany jest bądź wzmacniany przez umieszczenie rowków albo krawędzi, albo łopatek na całości bądź części ściany wewnętrznej komory 40 mieszającej.

W zalecanym przykładowym wykonaniu, komora 40 mieszająca jest ponadto wyposażona w jeden bądź wiele dodatkowych wlotów, które są w połączeniu płynnym ze źródłem środków chemicznych. Choć można zastosować różne środki chemiczne, zależnie od kontekstu, w którym urządzenie jest stosowane, w zalecanym przykładowym wykonaniu do komory 40 mieszającej wprowadzane są inhibitory korozji.

Figura 3 przedstawia dodatkowe przykładowe wykonanie niniejszego wynalazku. Podobnie jak na fig. 2, średnica komory 40 mieszającej zmniejsza się (część zwężająca 42) w celu zwiększenia prędkości promieniowej i stężenia cząstek w strefie dla skutecznej interakcji ze strumieniami wody o ultraszybkiej prędkości, ale nie rozszerza się następnie w celu wytworzenia rozproszenia. Zamiast tego, dysza zwęża się, tworząc rurę 72 skupiającą. Stąd, to przykładowe wykonanie nadaje się do cięcia, w przeciwieństwie do przykładowego wykonania przedstawionego na fig. 2, które bardziej nadaje się do usuwania powierzchni.

Jak dalej przedstawiono na fig. 3, pojedynczy strumień płynu pod ultrawysokim ciśnieniem ustawiony jest w linii z osią podłużną dyszy wyjściowej w celu wzmocnienia wydajności cięcia. Urządzenie jest również wyposażone w liczne dysze 20, odsunięte od osi podłużnej oraz strumień płynu pod ultrawysokim ciśnieniem w celu zapewnienia jednorodnego dostarczania materiału ścierającego do układu.

Optymalne prędkości usuwania albo cięcia można uzyskać przez optymalizację wewnętrznej geometrii komory 40 mieszającej, to jest wewnętrznych promieni, geometrii wzmacniających wir, układ otworów indukcji albo wstrzykiwania powietrza wzmagającego wir, jak również umieszczenie części zwężających/rozszerzających się względem wlotów wody i powietrza.

W innym zalecanym przykładowym wykonaniu wynalazku, jak przedstawiono na fig. 4, wykonano kilka modyfikacji w celu zmniejszenia wagi urządzenia, w celu uproszczenia działania oraz zmniejszenia kosztów produkcyjnych. W zalecanym przykładowym wykonaniu przedstawionym na fig. 4, przyspieszanie w drugim etapie cząstek uderzających uzyskuje się przez wprowadzenie strumienia płynu pod ultrawysokim ciśnieniem, wytworzonego przez skierowanie płynu pod ultrawysokim ciśnieniem przez wlot 50 i otwór 100 umieszczony w otworze 52 do wstrzykiwania. Wlot 50 i przewód 102 są bezpośrednio ustawione w linii z otworem 100 wzdłuż toru, na którym strumień płynu pod ultrawysokim ciśnieniem opuszcza otwór 52 do wstrzykiwania i wchodzi do komory 40 mieszającej. Pojedynczy strumień płynu pod ultrawysokim ciśnieniem wchodzi do komory 40 mieszającej pod kątem nie będącym prostym ani jego wielokrotnością, gdzie porywa i przyspiesza strumień uderzający. Podobnie, tylko jeden otwór wlotowy powietrza 60 zapewniony jest w celu umożliwienia wprowadzenia powietrza stycznie do komory 40 mieszającej. Urządzenie wykonane według przykładowego wykonania przedstawionego na fig. 4 upraszcza zastosowanie i produkcję urządzenia, tym samym zmniejszając koszt. W celu dalszego zmniejszenia wagi urządzenia, komora mieszająca może być wykonana z glinu, albo azotku krzemu albo innych podobnych materiałów.

Urządzenie wykonane według jednego z zalecanych przykładowych wykonań według niniejszego wynalazku może zawierać jednostkę utrzymywaną ręcznie, ogólnie określanąjako rewolwer. W zalecanym przykładowym wykonaniu, jak schematycznie przedstawiono na fig. 4, zawory 90, 92, 94 są na dyszy, pozwalając operatorowi na wybiórcze odcięcie przepływu wody

187 868 i/lub materiału ścierającego. Na przykład, operator może życzyć sobie zatrzymać przepływ materiału uderzającego, tak że tylko strumień płynu albo powietrza wychodzi z dyszy, co pozwala operatorowi na wypłukanie pozostałości z obrabianego przedmiotu. Alternatywnie, operator może pragnąć zatrzymać zarówno przepływ wody jak i materiału ścierającego, tak, że tylko strumień powietrza będzie wychodzić z dyszy, tym samym pozwalając operatorowi wysuszyć obrabiany przedmiot. Jeżeli operator życzy sobie przeprowadzić piaskowanie, przepływ płynu pod ultrawysokim ciśnieniem przez dyszę można zatrzymać. Operator może zatem wybiórczo zmieniać funkcję dyszy bez zwalniania dyszy, albo konieczności przejścia do odległego miejsca w pobliżu źródła materiału ściernego albo płynu pod ultrawysokim ciśnieniem. Choć można zastosować wiele różnych zaworów, w zalecanym przykładowym wykonaniu, zawory 90, 92, 94 są zaworami pilotowymi, które uruchamiają zawory przy źródle płynu pod ultrawysokim ciśnieniem i źródle materiału ścierającego.

Wiele porównawczych doświadczeń na skalę przemysłową przeprowadzono w warunkach właściwie kontrolowanych w celu zbadania zarówno wydajności jak i oszczędności sposobu i urządzenia stanowiących niniejszy wynalazek w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami i sposobami. Wyniki niektórych z tych doświadczeń przedstawiono poniżej. Usuwanie opartego o cynk podkładu lub walcowiny z powierzchni stalowej aż do gołego metalu wybrano w celu oceny skuteczności niniejszego wynalazku w porównaniu z konwencjonalnymi metodami. Choć kontekstem tej demonstracji jest przygotowywanie powierzchni, w zamierzeniu ma ona nie tylko ilustrować wyższość niniejszego wynalazku dla tego zastosowania, ale również dla innych zastosowań, takich jak cięcie, obróbka maszynowa, frezowanie, malowanie, w skrócie, każdego zastosowania, które opiera się o dostarczanie cząstek o wysokiej prędkości na powierzchnię. Przez porównanie prędkości usuwania pokrycia powierzchniowego, przy identycznych parametrach, można wykazać lepszą skuteczność urządzenia i sposobu według niniejszego wynalazku względem konwencjonalnego urządzenia/sposobu. Takie doświadczenia zaprojektowano w celu potwierdzenia wydajności i oszczędności zwiększonej prędkości cząstek przy pomocy przyspieszania dwuetapowego, oraz potwierdzenia wydajności i oszczędności ruchu wirowego, nałożonego na cząstki.

Parametry odnoszące się do następujących doświadczeń wyliczono poniżej. Wskazano również zakres dla każdego parametru, w którym sposób i urządzenie można ponadto zoptymalizować. Fig. 1 stanowi odniesienie dla definicji, umiejscowienia, rozmiarów i stosunków.

Pierwszym parametrem, wymienionym w tabeli 1 jest „Stosunek Średnicy Gardzieli”, który jest stosunkiem dwóch średnic, Di i D2. Każda z tych wartości przedstawiona jest na fig. 1, Di zmierzona jest w punkcie na górze, w pobliżu węża wlotowego powietrza/cząstek 10, D2 zmierzona jest niżej, gdzie gardziel etapu 2 osiąga swój najwęższy punkt. Drugim przedstawionym parametrem jest „Stosunek Długości do Średnicy”, który jest stosunkiem D1 i L1, które również przedstawiono na fig. 1. Następnym przedstawionym parametrem jest „Kąt Łączący 1-szy Etap z 2-gim etapem”. Dla urządzenia przedstawionego na fig. 1, kąt ten wynosi zero stopni, ponieważ pierwszy etap 12 drugi etap 14 są ustawione współosiowo. Następnym parametrem wymienionym w tabeli 1 jest „Kąt Nachylenia 1-szego Etapu uchodzący do 2-go Etapu”. Urządzenie przedstawione na fig. 1 ma kąt nachylenia 0, choć nie da się tego przedstawić na fig. 1. Parametr ten jest analogiczny do poprzedniego, z tym wyjątkiem, że ten ostatni opisuje związek przestrzenny pomiędzy dwoma etapami względem umiejscowienia jednego etapu względem drugiego, w płaszczyźnie prostopadłej do strony, na której pojawia się rysunek. „Stosunek Mocy” jest stosunkiem mocy pociągowej w etapie 2 do mocy pociągowej w etapie 1, albo hydraulicznej mocy pociągowej do powietrznej mocy pociągowej. Parametr ten dostarcza informacji, ponieważ, jak udowadnia fig. 1, cząstki przyspieszane są przez dwa źródła: powietrze przez wąż wlotowy 10 w pierwszym etapie oraz wodę przez otwory 52, 54 do wstrzykiwania w etapie 2. Każdy wlot wymaga źródła mocy, stąd parametr „Stosunek Mocy”. „Stosunek Mocy Wiru” jest podobny do parametru bezpośrednio ponad nim i jest mocą pociągową zastosowaną do wytworzenia albo wzmocnienia wiru wobec mocy pociągowej w etapie 1 (moc pociągowa powietrza). Następnym parametrem jest „Porty Strumieni Powietrza Wirowego”, co odnosi się do liczby wlotów, przez które wprowadzane jest powietrze wywołujące/wzmacniające wir. Dwa wloty 60, 62 przedstawiono na fig. 1. „Kąt Zawarty Zwężenia Wiru” odnosi się do

187 868 kąta, pod którym wewnętrzna średnica drugiego etapu 14 się zwęża. Bardziej swoiście, odnosi się do kąta, utworzonego przez linie biegnące wzdłuż przekroju poprzecznego ściany wewnętrznej drugiego etapu, zmierzonego od początku drugiego etapu 14 do D 2. „Kąt Nachylenia Wlotu Powietrza Wirowego” odnosi się do położenia wlotów powietrza 60, 62. Kąt, pod którym powietrze wchodzi do wnętrza urządzenia względem płaszczyzny równoległej do strony, na której umieszczono rysunek jest „Kątem Nachylenia Wlotu Powietrza Wirowego”. Następnym parametrem jest „Przecięcie Toru Strumieni Wody PUC”, przedstawione na fig. 1 jako Lj. Jak przedstawiono na fig. 1, L1 jest odległością od punktu, gdzie pojedyncze strumienie wody pod ultrawysokim ciśnieniem (dostarczanej z otworów 52, 54 do wstrzykiwania) zbiegają się, do końca drugiego etapu (wspólny koniec z L2). Wartość Przecięcia Toru Strumieni Wody PUC „@D2” oznacza, iż strumienie zbiegają się w punkcie D 2 (przedstawionym na fig. 1). Wartości parametrów oparte są o wielokrotności D 2, stąd wartość +10 x D 2 oznacza, iż strumienie zbiegają się w dół od punktu, gdzie mierzy się D2, w odległości dziesięciokrotnie większej od wartości D2. Następny parametr odnosi się do liczby otworów 52, 54 do wstrzykiwania wody pod ultrawysokim ciśnieniem. Dwa takie porty przedstawiono na fig. 1. Następny parametr wymieniony w tabeli 1 to „Średnica Portu Wstrzykiwania Strumienia Wody PUC”, który jest po prostu wewnętrzną średnicą otworów 52, 54 do wstrzykiwania. Następnym parametrem jest „Kąt Zawarty Strumienia Wody PUC”, który jest kątem utworzonym przez dwa strumienie, wychodzące z otworów 52, 54. Ostatnim parametrem w tabeli 1 jest „Kąt Nachylenia Strumienia Wody PUC”. Parametr ten częściowo określa położenie pojedynczych otworów 52, 54 wzdłuż płaszczyzny, prostopadłej do strony, na której pojawia się fig. 1.

Tabela 1

Parametr	Zakres Parametru Zalecanych Przykładowych Wykonań	Wartości doświadczalne
1	2	3
Stosunek Średnicy Gardzieli (Di/D₂)	1 -3,5	2,33
Stosunek Długości do Średnicy (L₂/D,)	>5	23
Kąt Łączący 1 -szy Etap z 2-gim Etapem	Osiowo (0°) - 30°	0°& 15°
Kąt Nachylenia 1-szego Etapu uchodzącego do 2-go Etapu	Osiowo (0°) - 30°	0°
Stosunek Mocy; Woda PUC Etapu 2/Powietrze Etapu 1	0,5-5,0	1,2-1,7
Stosunek Mocy Wiru: Powietrze Wirowe/Powietrze Etapu 1	0,05 do 1,0	0,17
Porty Strumieni Powietrza Wirowego (nr)	1 -20	1-4; 6
Kąt Zawarty Zwężenia Kąta	-30° do +30°	16°
Kąt Nachylenia Wlotu Powietrza Wirowego	0-30°	0°
Przecięcie Toru Strumieni Wody PUC (L,)	+/- 10 x D₂	@D2
Porty Wstrzykiwania Wody PUC (nr)	1 - 10	3,4,6

187 868 ciąg dalszy tabeli 1

1	2	3
Średnica Portu Wstrzykiwania Strumienia Wody PUC (cali/l 000)	8-40	7-13
Kąt Zawarty Strumienia Wody PUC	0-30°	16°
Kąt Nachylenia Strumienia Wody PUC	0-30°	0°, 2°, 6°

Przykład 1 (Usuwanie podkładu cynkowego)

Porównanie jednego z Przykładowych Wykonań Niniejszego Wynalazku z Konwencjonalnym Urządzeniem/Sposobem do Przygotowywania Powierzchni

Konwencjonalne urządzenie zawierało zwężającą/rozszerzającą się dyszę do oczyszczania ścierniwem na sucho o średnicy 3/16 (albo nr 3), która jest popularna w przemyśle. Dysza ta była napędzana ciśnieniem pod 689,5 kPa z prędkością przepływu 1,42 m³/min. w celu przyspieszenia 117,9 kg/godz. Ścierniwa o rozmiarze sieci 16-40 na powierzchnię testową.

Urządzenie według niniejszego wynalazku zawierało konwencjonalne urządzenie opisane powyżej, służące jako jego pierwszy etap przyspieszania, napędzane przez to samo ciśnienie powietrza, tę samą prędkość przepływu powietrza i dostarczające ten sam przepływ masowy ścierniwa o identycznym rozmiarze cząstek do drugiego etapu przyspieszania. Drugi etap przyspieszania stanowił strumień wody, napędzany z prędkością strumienia około 670,6 m/s. Działanie wiru nie było z zewnątrz ułatwiane, to jest nie wstrzykiwano żadnego dodatkowego płynu z boku do komory mieszającej w celu wzmocnienia działania wirowego w komorze mieszającej. Jednak należy zauważyć, iż, choć ruch wirowy nie był specjalnie wzbudzany, taki ruch może zachodzić i tak jako nieunikniona konsekwencja wewnętrznej geometrii komory.

Wyniki podsumowano poniżej:

Parametr	Niniejszy wynalazek	Urządzenie Konwencjonalne
Prędkość Usuwania	16,7 m2/godz.	5,6 m2/godz.
Cząstki uderzające zuzywane na jednostkę oczyszczanej powierzchni	7,1 kg/m2	21,6 kg/m2
Wsad Mocy (Moc pociągowa) na jednostkę oczyszczanej powierzchni	2,1 KM/m2	2,3 KM/m2
Całkowity Koszt na jednostkę oczyszczanej powierzchni (obejmuje robociznę, paliwo, ścierniwo i koszty urządzenia)	$2,0/m2	$2,3/m2
Wytwarzanie Pyłu w Dyszy	niewykrywalne	wyraźne
Wytwarzanie Pyłu na Celu (mierzone przez ogląd wzrokowy)	niewykrywalne	wyraźne

Przykład 2 (Usuwanie podkładu cynkowego)

Konwencjonalne urządzenie zawierało zwężającą/rozszerzającą się dyszę do oczyszczania ścierniwem na sucho o średnicy 4/16 (albo nr 4), która jest popularna w przemyśle. Dysza ta była napędzana ciśnieniem pod 689,5 kPa z. prędkością przepływu 2,63/min. w celu przyspieszenia 226,8 kg/godz. Ścierniwa o rozmiarze sieci 16-40 na powierzchnię testową.

187 868

Urządzenie według niniejszego wynalazku zawierało konwencjonalne urządzenie opisane powyżej, służące jako jego pierwszy etap przyspieszania, napędzane przez to samo ciśnienie powietrza, tę samą prędkość przepływu powietrza i dostarczające ten sam przepływ masowy ścierniwa o identycznym rozmiarze cząstek do drugiego etapu przyspieszania. Drugi etap przyspieszania stanowił strumień wody, napędzany z prędkością strumienia około 670,6 m/s. Działanie wiru nie było z zewnątrz ułatwiane, to jest nie wstrzykiwano żadnego dodatkowego płynu z boku do komory mieszającej w celu wzmocnienia działania wirowego w komorze mieszającej.

Wyniki podsumowano poniżej:

Parametr	Niniejszy wynalazek	Urządzenie Konwencjonalne
Prędkość Usuwania	26,3 m²/godz.	6,97 m2/godz.
Cząstki uderzające zużywane na jednostkę oczyszczanej powierzchni	9,1 kg/m2	33,2 kg/m2
Wsad Mocy (Moc pociągowa) na jednostkę oczyszczanej powierzchni	2,0 KM/m2	3,3 KM/m²
Całkowity Koszt na jednostkę oczyszczanej powierzchni (obejmuje robociznę, paliwo, ścierniwo i koszty urządzenia)	$1,6/m²	$4,6/m²
Wytwarzanie Pyłu w Dyszy	niewykrywalne	Wyraźne
Wytwarzanie Pyłu na Celu (mierzone przez ogląd wzrokowy)	niewykrywalne	Wyraźne

Przykład 3 (Usuwanie walcowiny)

Konwencjonalne urządzenie zawierało zwężającą/rozszerzającą się dyszę do oczyszczania ścierniwem na sucho o średnicy 4/16 (albo nr 4), która jest popularna w przemyśle. Dysza ta była napędzana ciśnieniem pod 689,5 kPa z prędkością przepływu 2,6 m³/min. w celu przyspieszenia 226,8 kg/godz. Ścierniwa o rozmiarze sieci 16-40 na powierzchnię testową.

187 868

Wyniki podsumowano poniżej:

Parametr	Niniejszy wynalazek	Urządzenie Konwencjonalne
Prędkość Usuwania	15,3 m²/godz.	5,1 m2/godz.
Cząstki uderzające zużywane na jednostkę oczyszczanej powierzchni	15,1 kg/m2	45 kg/m²
Wsad Mocy (Moc pociągowa) na jednostkę oczyszczanej powierzchni	3,3 KM/m2	4,5 KM/m2
Całkowity Koszt na jednostkę oczyszczanej powierzchni (obejmuje robociznę, paliwo, ścierniwo i koszty urządzenia)	$2,9/m²	$6,2/m2
Wytwarzanie Pyłu w Dyszy	niewykrywalne	Wyraźne
Wytwarzanie Pyłu na Celu (mierzone przez ogląd wzrokowy)	niewykrywalne	wyraźne

Przykład 4 (Usuwanie podkładu cynkowego)

Konwencjonalne urządzenie zawierało zwężającą/rozszerzającą się dyszę do oczyszczania ścierniwem na sucho o średnicy 3/16 (albo nr 3), która jest popularna w przemyśle. Dysza ta była napędzana ciśnieniem pod 689,5 kPa z prędkością przepływu 1,4 m³/min. w celu przyspieszenia 117,9 kG/godz. Ścierniwa o rozmiarze sieci 16-40 na powierzchnię testową.

Urządzenie według niniejszego wynalazku zawierało konwencjonalne urządzenie opisane powyżej, służące jako jego pierwszy etap przyspieszania, napędzane przez to samo ciśnienie powietrza, tę samą prędkość przepływu powietrza i dostarczające ten sam przepływ masowy ścierniwa o identycznym rozmiarze cząstek do drugiego etapu przyspieszania. Drugi etap przyspieszania stanowił strumień wody, napędzany z prędkością strumienia około 670,6 m/s. Ułatwiano działanie wiru przez wstrzyknięcie dodatkowego sprężonego powietrza, wytwarzającego efekt obrotowy, wynoszący 0,45 kG cm/kG powietrza wchodzącego do pierwszego etapu przyspieszania.

Wyniki podsumowano poniżej:

Parametr	Niniejszy wynalazek	Urządzenie Konwencjonalne
Prędkość Usuwania	19,5 m2/godz.	5,6 m2/godz.
Cząstki uderzające zużywane na jednostkę oczyszczanej powierzchni	6 kg/m2	21,6 kg/m²
Wsad Mocy (Moc pociągowa) na jednostkę oczyszczanej powierzchni	1,9 KM/m²	2,3 KM/m2
Całkowity Koszt na jednostkę oczyszczanej powierzchni (obejmuje robociznę, paliwo, ścierniwo i koszty urządzenia)	$l,6/m2	$4,2/m2
Wytwarzanie Pyłu w Dyszy	niewykrywalne	Wyraźne
Wytwarzanie Pyłu na Celu (mierzone przez ogląd wzrokowy)	niewykrywalne	Wyraźne

187 868

Przykład 5 (Usuwanie kamienia typu MIR)

Wyniki podsumowano poniżej:

Parametr	Niniejszy wynalazek	Urządzenie Konwencjonalne
Prędkość Usuwania	19,0 m²/godz.	5,1 m2/godz.
Cząstki uderzające zużywane na jednostkę oczyszczanej powierzchni	12,1 kg/m²	45,9 kg/m2
Wsad Mocy (Moc pociągowa) na jednostkę oczyszczanej powierzchni	2,9 KM/m2	4,6 KM/m2
Całkowity Koszt na jednostkę oczyszczanej powierzchni (obejmuje robociznę, paliwo, ścierniwo i koszty urządzenia)	$2,33/m²	$6,44/m2
Wytwarzanie Pyłu w Dyszy	niewykrywalne	Wyraźne
Wytwarzanie Pyłu na Celu (mierzone przez ogląd wzrokowy)	niewykrywalne	Wyraźne

Przykład 6 (Usuwanie kamienia typu AM)

Konwencjonalne urządzenie zawierało dyszę do oczyszczania ścierniwem na mokro, dostarczającą 25 hydraulicznych koni mechanicznych (HKM), napędzanych przez ciśnienie 241,3 MPa. Ścierniwo (rozmiar sita 40-60) w ilości 226,8 kg/godz. zasysano przez próżnię, wytworzoną przez strumień wody do komory mieszającej (zamiast powietrza sprężonego przenoszonego i wstępnie przyspieszanego w dyszy pierwszego etapu, jak w przykładach 1-5). Urządzenie według niniejszego wynalazku zawierało identyczne urządzenie konwencjonalne jak opisane powyżej, plus wstrzykiwanie powietrza wzmagającego wir, wynoszące dodatkowe 7 HKM, podnoszące całkowitą moc układu do 32 HKM.

187 868

Wyniki podsumowano poniżej:

Parametr	Niniejszy wynalazek	Urządzenie Konwencjonalne
Prędkość Usuwania	13,9 m²/godz.	8,4 m2/godz.
Cząstki uderzające zużywane na jednostkę oczyszczanej powierzchni	16,7 kg/m²	27,8 kg/m2
Wsad Mocy (Moc pociągowa) na jednostkę oczyszczanej powierzchni	2,6 KM/m2	3,4 KM/m2
Całkowity Koszt na jednostkę oczyszczanej powierzchni (obejmuje robociznę, paliwo, ścierniwo i koszty urządzenia)	$3,0/m2	$4,8/m2
Wytwarzanie Pyłu w Dyszy	niewykrywalne	wyraźne
Wytwarzanie Pyłu na Celu (mierzone przez ogląd wzrokowy)	niewykrywalne	wyraźne

Przykład 7

Wyższa Wydajność Energetyczna i Finansowa Przyspieszania Dwuetapowego

Do przyspieszania cząstek można stosować zarówno powietrze jak i wodę. Siła działająca na poruszaną w płynie cząstkę jest jej ciągiem (Fd). Równanie dla siły ciągu brzmi:

Fd = Cd x p v²A/2

Gdzie Fd jest siłą ciągu, Cd jest współczynnikiem ciągu cząstki, p jest gęstością płynu, v jest względną prędkością cząstki względem otaczającego płynu, a A jest polem przekroju poprzecznego cząstki, albo, w wypadku cząstki o nieregularnym kształcie, obszaru jego rzutu.

Cd jest doświadczalnie wyznaczoną funkcją liczby Reynoldsa dla cząstki (Nk). Liczba Reynoldsa jest zdefiniowana jako:

Nk = pvd/p

Gdzie p jest gęstością płynu; v jest względną prędkością cząstki; d jest średnicą cząstki; a μ jest dynamiczną lepkością płynu. Dla Nk od około 500 do 200,000 i dla cząstki sferycznej, stanowiących typowy zakres prędkości dla cząstek w strumieniu płynu o wysokiej prędkości, współczynnik ciągu Cd wynosi od 0,4 do 0,5, dla powietrza przy prędkościach poddźwiękowych.

Z powyższej analizy można wywnioskować, iż woda, a nie powietrze, powinna być wydajnym środkiem do przyspieszania cząstek, z uwagi na to, że siła ciągu jest proporcjonalna do gęstości poruszającego się płynu. Stosunek gęstości wody do powietrza wynosi około 800. Jednakże, wykorzystywanie jedynie wody jako płynu napędzającego jest ograniczająco drogie. Dostarczanie powietrza pod ciśnieniem 689,5 kPa z prędkością 0,028 m³ na minutę można przeprowadzić w sprężarce o rozmiarze przemysłowym przy koszcie ogólnym zaledwie $60, a uzyskana moc silnikowa wynosi ledwie 0,25 KM dla strumienia powietrza 0,028 m³ przy ciśnieniu 689,5 KPa taki strumień powietrza może przyspieszyć cząstki do prędkości około 182,9 m/s, ale niewiele ponadto, z uwagi na efekty strumienia ześlizgowego, dominujące przy wyższych prędkościach. W celu wykonania tego samego zadania przy użyciu wody, wymagana byłaby wysokociśnieniowa pompa wodna, zdolna do wytworzenia ciśnienia około 372 MPa z prędkością dostarczania 0,028 m³/min. (7,5 GPM), w celu przyspieszenia cząstek do prędkości około 182,9 m/s (albo do około 70% prędkości płynu) przy ogólnym koszcie około $6,000, napędzana przez silnik o około 25 KM. Porównanie ogólnego kosztu i wymaganej energii wykazuje, iż powietrze może przyspieszyć cząstki do prędkości około 182,9 m/s przy 1/100-tnej kosztu ogólnego i przy około 1/100-tnej wsadu energii, w stosunku do tego, czego można

187 868 dokonać z wodą jako płynem napędzającym. Stąd też powietrze jest o wiele bardziej ekonomicznym, wydajnym energetycznie i zalecanym medium do początkowego (pierwszoetapowego) przyspieszania cząstek, do prędkości około 182,9 m/s, zaś strumień wody o ultraszybkiej prędkości jest zalecanym medium do przyspieszania cząstek ponad 182,9 m/s (drugi etap) do prędkości około 914,4 m/s i więcej. Drugim argumentem za zastosowaniem powietrza do przyspieszania pierwszoetapowego jest to, że cząstki łatwo dają się przenosić i transportować w strumieniu wzburzonego powietrza, wewnątrz węża albo rury, na duże odległości i wysokości. Stąd, zbiornik cząstek uderzających może być duży, co powoduje mniej przerwań w celu napełnienia zbiornika, i nie musi być w pobliżu dyszy wystrzykującej cząstki na powierzchnię oczyszczaną bądź ciętą.

Przykład 8

Zmniejszanie Wsadu Mocy Wymaganego do Przecięcia Materiałów Dzięki Lepszemu Dostarczaniu Cząstek Przez Wzbudzanie Wiru

W jednym z przykładowych wykonań niniejszego wynalazku, korzyść z przyspieszania cząstek strumieniem albo strumieniami wody o ultraszybkiej prędkości jest ponadto wzmożona przez wzbudzenie wiru, albo ruchu wirowego, w strumieniu płynu i poddanie cząstek takiemu wirowi albo ruchowi wirowemu. Próby przeprowadzone z takim układem dały lepsze rezultaty (zmierzone przez usuwanie powierzchni), co stanowi dowód lepszego przeniesienia pędu i porwania cząstek przez napędzanie strumieniem wody o ultraszybkiej prędkości. Gdy cząstki stykają się z płynem, wykazującym ruch wirowy, cząstki napędzane są na zewnątrz promieniowo przez silę odśrodkową. Siła ta, i wynikły ruch cząstek, wykorzystane są w jednym z przykładowych wykonaniach niniejszego wynalazku w następujący sposób. W czasie, gdy cząstki napędzane są na zewnątrz przez siłę odśrodkową, ulegają one koncentracji w regionie, gdzie wybiórczo stykają się ze strumieniami wody o ultraszybkiej prędkości, specjalnie skierowanymi w taki region. Wynikiem jest dramatycznie zwiększona wyjściowa prędkość cząstek wyrzucanych z komory, bardziej wydajny energetycznie proces przyspieszania oraz zdolność do wprowadzania większego stężenia cząstek względem napędzającego strumienia wody o ultraszybkiej prędkości. Doświadczenia przeprowadzone w celu wsparcia niniejszego zgłoszenia wskazują, iż dostępna obecnie technologia ograniczona jest do wprowadzania około 12% cząstek do płynu napędzającego. W przeciwieństwie do tego, niniejszy wynalazek, dzięki wprowadzeniu wiru albo ruchu wirowego, pozwala na skuteczne przyspieszenie do prędkości ultrawysokich stężeń cząstek aż do 50% (względem medium napędzającej wody). Zaleta ta, jak ustalono doświadczalnie, wynika z dwóch źródeł. Po pierwsze, liczba cząstek stykających się ze strumieniami wody wzmocniona jest przez ruch wirowy, który umiejscawia maksymalną liczbę cząstek na torze strumienia wody. Po drugie, siła odśrodkowa wywierana na cząstki jest bardziej niska w stosunku do wektora, zorientowanego w przybliżeniu prostopadle do strumieni wody. Jeżeli na przykład strumienie wody zetknęły się z cząstkami poruszającymi się z dużą wynikową siłą zasadniczo prostopadłą do kierunku strumieni wody, to przyspieszenie cząstek w kierunku strumieni wody uległoby pogorszeniu. Niniejszy wynalazek pokonuje to ograniczenie, choć wciąż osiąga maksymalne przyspieszenie cząstek dzięki skoncentrowaniu cząstek na torze strumienia wody dzięki sile odśrodkowej, z niską siłą wynikową w kierunku prostopadłym do kierunku strumieni wody.

Ruch wirowy można wzbudzić na różne sposoby dobrze znane osobie biegłej w stanie techniki. Na przykład, można zastosować zmienny promień komory, to jest komorę, której promień zmniejsza się w dół. Ponadto, rowki można poddać obróbce maszynowej do wnętrza komory albo można dodać łopatki, alternatywnie, można wstrzyknąć, wciągnąć przez indukcję albo zassać płyn do komory pod kątami różnymi od prostych albo ich wielokrotności, albo stycznie względem osi podłużnej utworzonej przez komorę.

Przykład 9

Uzyskiwanie Lepszej Skuteczności i Wydajności Cięcia Przez Zwiększenie Prędkości, Stężenia i Skupienia Cząstek

Wykazano w kontekście tego wynalazku, że rosnąca prędkość cząstek (poza pewnym progiem) dramatycznie zwiększa usuwanie dla zastosowań przygotowywania powierzchni i cięcia. Faktycznie, usuwanie materiału zwiększa się wraz z kwadratem wzrostu prędkości cząstki.

187 868

Prędkość cząstki w tym wynalazku można zwiększyć o około 40-50% ponad to, co osiągalne jest przy użyciu bieżącej technologii maszyn tnących strumieniem cząstek, co daje dwukrotne zwiększenie skuteczności cięcia. Dwa inne czynniki również przyczyniają się materialnie do uczynienia procesu cięcia strumieniem ścierniwa wydajniejszym, a mianowicie ilość albo stężenie cząstek o maksymalnej prędkości, wyrzucanych na jednostkę czasu Mt (w kg/s) oraz skupianie takiego strumienia cząstek na najmniejszym możliwym punkcie, mającym średnicę D_o(w nanometrach).

Jak to przedstawili zgłaszający w przykładach 4, 5 i 6, nałożenie wiru albo ruchu wirowego na cząstki dramatycznie wzmaga proces przyspieszania i zdolność do wprowadzania więcej cząstek na jednostkę wody o ultraszybkiej prędkości (co określa się jako stężenie cząstek) od około 12% dla obecnie dostępnej technologii do 50%, wzrost czterokrotny. Działanie wiru ułatwia również skupianie strumienia cząstek na mniejszym obszarze De, a stąd stężenie cząstek na obszar uderzany na materiale jest zwiększone. W stosunku do urządzenia ze strumieniem cząstek według konwencjonalnej technologii, uzyskującego średnicy skupienia Dc, stężenie cząstki na obszar wzrasta wraz z kwadratem stosunku średnic (Dc/Dq)2. Według sposobu i urządzenia według niniejszego wynalazku, średnicę skupienia można zmniejszyć około 25% tej dla konwencjonalnych urządzeń tnących strumieniem cząstek uderzających, co daje dwukrotne zwiększenie skuteczności cięcia.

Złożony efekt powyższych argumentów jest następujący:

Zmienna Mnożnik Skuteczności Cięcia

Prędkość Cząstek 2x

Stężenie Ścierniwa w Strumieniu 4x

Skupienie 2x

Złożony Efekt 2x 4x 2^ 16

Mówiąc praktycznie, ten mnożnik skuteczności ma ogromne konsekwencje. Bardziej swoiście, bieżąca inwestycja wymagana dla konwencjonalnego układu tnącego wynosi około $2,000 na konia mechanicznego (KM) albo około $60,000 dla typowego układu przemysłowego 30 KM. Zmniejszenie o czynnik 16 obniża koszt do około $4,000. Daje to w rezultacie sposób i urządzenie obecnie mogące konkurować z cięciem palnikiem i plazmą dla szerokiej różnorodności konwencjonalnych zastosowań o wysokim przerobie, takich jak cięcie płyt stalowych, materiałów budowlanych, szkła, drewna i tak dalej.

Dlatego też niniejszy wynalazek jest dobrze dostosowany do przeprowadzania celów i osiągania celów i zalet, jak również innych. Choć przedstawione w niniejszym przykładowe wykonania wynalazku podano dla celu objaśnienia zasadniczych cech tego wynalazku, można przeprowadzić liczne zmiany, w szczegółach budowy, układzie części składowych, etapów roboczych i tak dalej, które się nasuwają łatwo same osobie biegłej w stanie techniki i które zawarte są w duchu wynalazku i w zakresie zastrzeżeń.

187 868 «Ν )

187 868 <=>

CM

«Μ

187 868

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania strumienia cząstek, o dużej prędkości w komorze mieszającej polegający na przyspieszaniu cząstek do prędkości poddźwiękowej przy użyciu jednego bądź wielu strumieni gazu do wytwarzania strumienia cząstek, następnie na dalszym przyspieszaniu cząstek do większej prędkości, znamienny tym, że dla dalszego przyspieszania cząstek do większej prędkości powoduje się kontakt strumienia cząstek pod kątem nie będącym wielokrotnością kąta prostego z przynajmniej jednym strumieniem cieczy o prędkości pomiędzy 182,9 m/s a 1219,2 m/s wewnątrz komory (40) mieszającej oraz wywołuje się ruch spiralny cząstek.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień cieczy wprowadza się przez otwór (52) usytuowany na ścianie komory (40).
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ruch spiralny wytwarza się przez wtrysk przynajmniej jednego strumienia płynu.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że do wprowadzenia przynajmniej jednego strumienia płynu stosuje się wtrysk sprężonego płynu.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wprowadzenie przynajmniej jednego strumienia płynu realizuje się poprzez bierne zassanie płynu.
6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że dodatkowo dla wzmacniania ruchu spiralnego cząstek stosuje się zmniejszenie wewnętrznego promienia komory (40) mieszającej.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ruch spiralny wywołuje się przez stosowanie rowków umieszczonych w wewnętrznej ścianie komory (40) mieszającej.
8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ruch spiralny wywołuje się przez zmianę wewnętrznej geometrii komory (40) mieszającej.
9. Sposób według zastrz. 8, że dodatkowo wywołuje się rozpostarcie strumienia przez oddolne zwiększenie wewnętrznego promienia komory (40) mieszającej.
10. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wybiórczo dopuszcza i zabezpiecza się przepływ cząstek ściernych w komorze (40) mieszającej.
11. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że dopuszcza i zabezpiecza się przepływ strumienia cieczy w komorze (40) mieszającej.
12. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przyspiesza się cząstki przy przejściu przez dyszę (20) do szybkości ponad 91,4 m/s.
13. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przez przyspieszanie cząstek do szybkości poddźwiękowej dostarcza się strumień cząstek ściernych i powietrza do wlotu dyszy (20) mającej obszary proksymalnie skupiający i dystalnie rozbieżny i przyspiesza się strumień cząstek ściernych do pierwszej szybkości ponad 91,4 m/s przez przejście strumienia przez dyszę (20), przy czym strumień cząstek ściernych wprowadza się do komory (40) mieszającej po przyspieszeniu w dyszy (20).
14. Sposób wytwarzania strumienia cząstek, o dużej prędkości w komorze mieszającej polegający na przyspieszaniu cząstek do prędkości poddźwiękowej większej niż 91,45 m/s przy użyciu jednego bądź wielu strumieni gazu do wytwarzania strumienia cząstek, następnie na dalszym przyspieszaniu cząstek do większej poddźwiękowej prędkości, znamienny tym, że wywołuje się ruch spiralny strumienia cząstek przez co tworzy się strefę o podwyższonym stężeniu cząstek, a następnie zwiększa się przyspieszenie cząstek do większej poddźwiękowej prędkości cząstek przez kontakt strefy o podwyższonym stężeniu cząstek pod kątem nie będącym wielokrotnością kąta prostego z przynajmniej jednym strumieniem cieczy wprowadzanym przez otwór (52) usytuowany w ścianie komory (40) i mającym prędkość w komorze (40) pomiędzy około 182,9 m/s a około 1219,2 m/s.
15. Urządzenie do wytwarzania strumienia cząstek o dużej prędkości zawierające pierwszą dyszę wyposażoną w wlot i wylot, źródło strumienia cząstek ściernych sprężonego gazu i sprzężone z wlotem pierwszej dyszy dla wprowadzenia cząstek ściernych z szybkością

187 868 poddźwiękową do wlotu pierwszej dyszy, komorę mieszającą mającą wlot w połączeniu płynnym z wylotem pierwszej dyszy, rurę wyjściową posiadającą wlot w połączeniu płynnym z wylotem komory mieszającej oraz wylot, znamienne tym, że otwór (52) jest stycznie usytuowany w stosunku do wlotu komory (40) mieszającej, przy czym otwór (52) sprzężony jest w płynnym połączeniu z komorą (40) mieszającą i ze źródłem cieczy pod ultrawysokim ciśnieniem, będącej pod ciśnieniem pomiędzy 103,42 MPa a 413,69 MPa dla odprowadzenia z otworu (52) strumienia cieczy z wystarczającą prędkością pomiędzy 182,9 m/s a 1219,2 m/s do porwania i przyspieszania strumienia cząstek ściernych w komorze (40) mieszającej.
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że komora (40) mieszająca jest wyposażona w drugi wlot (60) sprzężony ze źródłem gazu dla dostarczania strumienia gazu do komory (40) mieszającej i polepszającej rozkład cząstek ściernych w cieczy.
17. Urządzenie według zastrz. l6, znamienne tym, że ponadto zawiera pierwszy zawór (92) sprzężony z pierwszą dyszą (20) dla wybiórczego uruchamiania i zatrzymywania przepływu strumienia cząstek ściernych do pierwszej dyszy (20), drugi zawór (90) sprzężony z otworem (52) do wtryskiwania płynu dla wybiórczego uruchamiania i zatrzymywania przepływu płynu cieczy znajdującej się pod ultrawysokim ciśnieniem do komory (40) mieszającej i trzeci zawór (94) sprzężony z drugim wlotem (60) dla wybiórczego uruchamiania i zatrzymywania przepływu gazu do komory (40) mieszającej.
18. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że otwór (52) zawiera otwór (100) umieszczony w osi przewodu (102) i który to przewód (102) przebiega od otworu (1θ0) do otworu (52) w urządzeniu wzdłuż toru, w którym strumień cząstek wchodzi do komory (40) mieszającej.
19. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że komora (40) mieszająca zawiera przynajmniej jeden rowek umieszczony na jej wewnętrznej ściance.
20. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że komora mieszająca zawiera część zwężającą (42) i część rozszerzającą (44). .
21. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że pierwsza dysza (20) zawiera część zwężającą i część rozszerzającą.
22. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że komora (40) mieszająca zawiera część zwężającą i rurę (72) skupiającą.
23. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że komora (40) mieszająca jest wyposażona w drugi otwór połączony płynnie ze źródłem środków chemicznych.
24. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że źródło środków chemicznych zawiera inhibitor korozji.

Przedmiotem tego wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania strumienia cząstek o dużej prędkości, nadający się do różnych zastosowań w tym, ale nie ograniczając się, do przygotowywania powierzchni, cięcia i malowania.

Dostarczanie strumieni cząstek o dużej prędkości do przygotowywania powierzchni, takiego jak usuwanie pokryć, rdzy i kamienia z kadłubów statków, zbiorników przechowawczych, rur i tym podobnych tradycyjnie przeprowadzano przez umieszczanie cząstek w strumieniu gazu o dużej prędkości (takiego jak powietrze) i wytryskiwanie ich przez dyszę przyspieszającą na czyszczony przedmiot. Typowo takie układy napędzane są przez sprężone powietrze i zawierają: sprężarkę powietrza, zbiornik do przechowywania cząstek czyszczących, urządzenie ponownego wprowadzania w celu kontrolowania masowego przepływu cząstek, wąż do przenoszenia strumieni powietrza-cząstek oraz dyszę dostarczania strumienia typu zwężająco-prostego bądź zwężająco-rozszerzającego.

Dostarczanie strumieni cząstek o dużej prędkości w celu cięcia materiałów, takiego jak „cięcie zimne” (w przeciwieństwie do cięcia palnikiem, plazmą albo laserem, które stanowią termiczne metody „cięcia gorącego”) stopów, materiałów ceramicznych, szkła i laminatów i tym podobnych tradycyjnie przeprowadzano przez umieszczenie cząstek w strumieniu płynu o wysokiej

187 868 prędkości (takiego jak woda) i wytryskiwanie ich następnie przez zwężającą się dyszę na przecinany przedmiot. Typowo układy takie napędzane są wodą pod wysokim ciśnieniem i zawierają: wysokociśnieniową pompę wodną, zbiornik do przechowywania cząstek uderzających, urządzenie mierzące służące do sterowania masowego przepływu cząstek, wąż do przenoszenia cząstek, wąż do przenoszenia wody pod wysokim ciśnieniem oraz zbiegającą się dyszę, wewnątrz której tworzy się strumień płynu o wysokiej prędkości, który porywa i przyspiesza strumień cząstek na przecinany przedmiot.

Niezależnie od tego, czy strumień cząstek dostarczany jest w celu przygotowywania powierzchni czy cięcia, mechanizm działania, znany osobom biegłym w stanie techniki jako „mikromaszynowanie” jest zasadniczo taki sam. Zachodzą też inne efekty, ale są one wybitnie drugorzędowe. Zasady mechaniki mikromaszynowania są proste. Cząstka ścierająca, mająca pęd (1), który jest iloczynem jej masy (m) razy jej prędkość (v) uderza w powierzchnię docelową. Po uderzeniu, następująca zmiana pędu względem czasu (mx dv/dt) wytwarza siłę (F). Taka siła, przyłożona do małego pola zderzenia ostrej cząstki wznieca umiejscowione ciśnienia, naprężenia i rozdarcia, znacznie przekraczające krytyczne właściwości materiału, czego rezultatem jest umiejscowione pęknięcie materiału i usunięcie, to jest efekt mikromaszynowania.

Jak to udowadnia powyższa dyskusja, ponieważ ciężar właściwy mających handlowe znaczenie cząstek uderzających jest w wąskim zakresie, wszelkie znaczące zwiększenie ich właściwości uderzających albo tnących musi pochodzić ze zwiększenia prędkości. Po drugie, nie tylko prędkość jest ważna, ale dla zastosowań przygotowywania powierzchni, cząstki muszą się stykać z powierzchnią według jednorodnie rozproszonego wzorca, to jest wysoce skupiony strumień obrobiłby tylko mikroskopijny obszar, wymagając zatem wielu roboczogodzin i znacznych ilości materiału uderzającego do obrobienia danej powierzchni. Po trzecie, idealnie, cząstki powinny uderzać w obrabianą powierzchnię, a nie w siebie. Jednakże, dla zastosowań cięcia, pożądany jest strumień skupiony w celu coraz głębszego naruszania materiału docelowego i, w pewnych zastosowaniach, rozerwania go.

Osoba biegła w stanie techniki w dziedzinie przygotowywania powierzchni strumieniem cząstek oraz w dziedzinie cięcia przez uderzenie, pragnąca udoskonalić urządzenie albo sposób do przygotowywania powierzchni albo cięcia, staje wobec wielu wyzwań. Po pierwsze, ilość cząstek ścierających wymaganych na dany obszar usuwanego pokrycia może być bardzo duża, co z kolei oznacza nie tylko wyższe koszty wykorzystania, ale wyższe koszty oczyszczania i odpadów.

Po drugie, zastosowanie cząstek ścierających w konwencjonalnym procesie piaskowania na sucho opisanym tutaj wytwarza ogromne ilości pyłu, zarówno z samych cząstek jak i ze sproszkowanego materiału docelowego, w który uderzają cząstki. Taki pył jest wysoce niepożądany, ponieważ stanowi zarówno zagrożenie dla zdrowia jak i zagrożenie dla środowiska. Stanowi to również przyczynę ograniczenia działania dla pobliskich maszyn i urządzeń. W celu poprawy tego, niektóre układy dodają wodę pod niskim ciśnieniem w celu zwilżenia cząstek tuż przed wyrzuceniem ich z układu dyszy urządzenia. Jednak woda ma niepożądany efekt uboczny w postaci zmniejszania prędkości cząstek uderzających, co z kolei zmniejsza skuteczność cząstek dla ich zamierzonego celu, (to jest usuwania pokrycia albo cięcia materiałów). Dodanie wody ma dodatkowy niepożądany efekt uboczny w postaci powodowania zlepiania się cząstek uderzających i tworzenia grudek, co również poważnie zmniejsza ich skuteczność. Powszechnie uważa się w przemyśle, że nie można dodawać wody do suchego strumienia powietrza/cząstek bez zmniejszenia prędkości cząstek. Przekonanie to potwierdziły szeroko zakrojone badania. Jednakże dodawanie wody do strumienia powietrza/cząstek ma zasadnicze znaczenie dla wielu zastosowań w celu zmniejszenia wytwarzania pyłu i może faktycznie być jedynym usprawnieniem, które jest zgodne z dopuszczalnymi przepisami środowiskowymi, zdrowotnymi i zawodowymi/bezpieczeństwa pracy.

Po trzecie, obecnie dostępne układy do cięcia strumieniem cząstek uderzających (przy użyciu cząstek uderzających w celu przecięcia tanich materiałów, takich jak stal, beton, drewno, i tym podobnych) wymagają o wiele większego wsadu mocy względem innych metod stosowanych obecnie, takich jak na przykład cięcie palnikiem, plazmą, laserem albo ostrzem diamentowym. Stąd też niższa ocena cięcia przez uderzanie względem innych metod nie wynika

187 868 z wydajności cięcia, ale raczej z kosztów. Cięcie przez uderzanie napędzane strumieniem powietrza lub wody wymaga wysokiego wsadu mocy, co ogranicza je pod względem kosztów dla większości zastosowań innych niż dla specjalnych sytuacji, które wymuszają cięcie zimne albo cięcie konturowe materiałów wrażliwych termicznie.

Dlatego też problem, przed jakim staje osoba biegła w stanie techniki do zaprojektowania urządzenia albo sposobu, który dostarcza jednorodnie rozłożony, rozproszony strumień cząstek uderzających na czyszczoną powierzchnię (albo strumień skupiony cząstek uderzających na powierzchnię ciętą) z najwyższą prędkością, przy najniższym możliwym wsadzie mocy i bez wytwarzania niedopuszczalnego poziomu pyłu przenoszonego przez powietrze.

Najprostsze rozwiązanie, którym jest zwiększenie prędkości cząstek jest problematyczne. Dokonuje się ono konwencjonalnie przez porwanie cząstek przez powietrze, choć powietrze jest nieefektywnym medium do przyspieszania cząstek na krótkim dystansie, z uwagi na jego względnie niską gęstość i praktyczne ograniczenia długości dla sterowanej przez operatora dyszy porywającej/przyspieszającej. Oznacza to, iż cząstki, poza pewną prędkością nie ulegają już przyspieszeniu przez powietrze, ale poruszają się wolniej niż powietrze, w strumieniu poślizgowym. Prędkość cząstek, gdy napędzane są przez strumień powietrza, jest ponadto zmniejszona, ponieważ często woda musi być wprowadzona do strumienia powietrza/cząstek w celu „zwilżenia” cząstek dla zmniejszenia pyłu przenoszonego przez powietrze. Woda ta, po porwaniu wewnątrz strumienia cząstek/powietrza, powoduje dalsze zmniejszenie prędkości strumienia - często znaczne zmniejszenie.

Dlatego też, kluczowe potrzeby stanu techniki zostałyby zaspokojone dzięki opracowaniu sposobu albo urządzenia, które dostarcza jednorodnie rozłożony, rozproszony strumień cząstek uderzających na powierzchnię (oczyszczaną) albo skupiony strumień na powierzchnię (ciętą) z najwyższą możliwą prędkością cząstek, przy najniższym możliwym wsadzie mocy, i które nie wytwarzają niedopuszczalnych poziomów pyłu przenoszonego przez powietrze.